能源危机迫使我们寻求更高效、更环保的能源材料。其中核燃料具有一个可观的应用前景。钍基熔盐堆中的钍、铀等核燃料属于锕系元素,而锕系元素是一个非常具有挑战性的领域。在实验上,锕系元素的毒性、放射性,以及部分同位素的短寿命都阻碍着实验的深入研究。复杂的5f电子、相对论效应,以及电子的强交换关联同时也给理论计算带来了诸多挑战。从理论上获得锕系材料的几何结构、电子结构、热力学性质等物化特性可以指导、预测实验,而且对微观机理有一个非常深入的认识。钍、铀等核燃料属于锕系元素,国际上主要核能强国均非常重视锕系材料的理论研究,力图获得锕系材料的几何结构、电子结构、热力学性质等物化特性,用于指导、预测实验,并对锕系材料的微观机理有一个非常深入的认识。近年来,由于钍基核燃料的发展,钍和钍的化合物引起了人们的极大兴趣。目前,对这些相关材料的基本性质以及实际应用的研究亟待进行。在核燃料的服役过程中会出现高温高压等极端条件,导致其相关性能的研究极其困难。采用理论方法对晶体在高压情况下的结构性质进行预测是理解其结构和性能的有效方式,因此我们针对钍基化合物开展了系统性的高压理论研究。本文采用粒子群算法（PSO）和进化算法（EA）等不同的结构预测方法对第四代反应堆的潜在燃料钍基碳化物和在钍基核燃料循环中扮演着重要角色的钍基硫化物的晶体结构进行了全面搜寻,利用第一性原理计算方法获得了它们的结构特性、热力学特性等,从而得到了不同压力下的微观结构与物性。钍基碳化物作为新型核燃料具有诸多优势。其熔点较高、热导率较高,容易传导核燃料产生的热量。我们的计算结果显示,ThC的基态相B1相在高压下声子谱不稳定;在压强高于60 GPa时候,ThC的P4/nmm相在能量、动力学及力学方面都能够稳定存在,ThC由基态相相变到P4/nmm相;随着压强增大,P4/nmm中的Th原子趋于向晶胞中部移动,即Th原子的分数坐标z趋近于0.5,当压强达到约120 GPa时,其晶格结构转变为B2相。计算结果表明,随压强的升高,ThC的相变过程是B1 → P4/nmm → B2,相变压强分别为60 GPa和120 GPa。其中B1 → P4/nmm的相变为一级相变,P4/nmm → B2的相变为二级相变。理论预测的结果必须通过实验的检验才能成为可靠的科学成果,因此,我们采用高压同步XRD方法对ThC在高压下的结构演化规律进行了研究。研究中克服了高纯碳化钍合成、密封装样、压力标定、解谱等多个技术难题,确定了碳化钍的高压相变过程。实验结果显示,在约58 GPa时候,ThC会发生B1→P4/nmm的结构相变,我们也是第一次采用试验方法观测到ThC在高压下的结构,即P4/nmm相。我们的实验结果完美地证实了理论预测结果,获得了钍基材料在极端环境中的重要结构信息,这为ThC的实际应用提供了非常重要的研究基础。对于钍的二碳化物,我们也采用密度泛函理论和结构搜索算法对其晶体结构、电子性质、晶格动力学以及热力学性质进行了深入细致的研究。我们得到了 ThC2各个相随压强升高的相变顺序为C2/c→C2/m → Cmmm → Immm → P6/mmm,相变压强依次为3 GPa、56 GPa、128 GPa和203 GPa.在这些结构中,我们采用高压同步XRD成功观测到了 C2/c和C2/m两个结构,观测结果与我们的理论预测结果非常吻合。压强致晶体相变过程中各个相变的体积塌缩比分别为9.5%、11.6%、2.3%和 2.4%.在ThC2的基态相C2/c结构中,碳原子以离散的C-C二聚体形式存在。随压强的升高,碳原子首先在C2/m相中形成碳的四聚体,然后在Cmmm相中形成一维锯齿状原子链,在Immm相中形成二维带状碳链,最终在P6/mmm相中形成类石墨烯的二维碳层。对电荷密度分析得出,在ThC2的各个相中,C-C键以共价键为主,随碳原子的凝聚过程,C-C键逐渐减弱。声子散射谱显示,ThC2各个相在动力学上都能稳定存在。C2/c相在高频区域（42-45 THz）的振动模式说明在此相中,C-C成键非常强,甚至强于金刚石、石墨以及石墨烯中的C-C键。压强升高会导致高频区域的振动模式消失,这说明压强导致的碳原子的凝聚会使孤立的很强的C-C键逐渐减弱,最终消失。我们的研究结果为ThC2及此类材料的应用以及进一步的实验观测提供了理论基础。我们对在钍基核燃料循环中扮演着重要角色的ThS2亦进行了深入详尽的研究。在本研究中,我们采用密度泛函理论和粒子群结构预测方法对ThS2的晶体结构、电子性质、晶格动力学以及热力学性质等进行了研究。我们的结构预测程序成功的搜寻到了实验上已经观测到的结构Pnma相,同时还找到了Fm3m相和高压结构I4/mmm相,有趣的是,Fm3m相的能量比实验上已知的Pnma相的能量更低。通过焓-压关系计算,我们预测Pnma到I4/mmm的相变压强为37 GPa,这与前人实验观测的在40 GPa发生相变基本吻合,并且我们研究了此相变过程以及高压相结构。我们的结果显示,ThS2在40 GPa附近发生相变后的高压结构可能是Pnma-I和I4/mmm的混合相,这亦解释了实验上观测的此相变过程很缓慢的原因,并且确定了实验上很难确定的高压相结构。此外,我们对各个相的电子结构计算结果显示,伴随Pnma到Pnma-I的同构相变和Pnma到I4/mmm的结构相变,都会发生半导体-金属相变。我们的研究为ThS2和此类材料的的应用以及进一步的实验观测提供了十分有价值的理论基础。